最大压差法测表面张力

中国石油大学化学原理（Ⅱ）实验报告实验日期：2014年10月24日成绩：班级：石工（实验）1202学号：姓名：教师：同组者：实验二表面张力测定最大压差法一．实验目的1.掌握最大压差法测定表面张力的原理及方法；2.测定正丁醇水溶液的表面张力，了解表面张力的概念及影响因素；3.学习Gibbs公式及其应用。二．实验原理由于净吸引力的作用，处于液体表面的分子倾向于到液体内部来，因此液体表面倾向于收缩。要扩大面积，就要把内部分子移到表面来，这就要克服净吸引力作功，所作的功转变为表面分子的位能。单位表面具有的表面能叫表面张力。在一定温度、压力下纯液体的表面张力是定值。但在纯液体中加入溶质，表面张力就会发生变化。若溶质使液体的表面张力升高，则溶质在溶液相表面层的浓度小于在溶液相内部的浓度；若溶质使液体的表面张力降低，则溶质在溶液相表面层的浓度大于在溶液相内部的浓度。这种溶质在溶液相表面的浓度和相内部的浓度不同的现象叫吸附。在一定的温度、压力下，溶质的表面吸附量与溶液的浓度、溶液的表面张力之间的关系，可用吉布斯吸附等温式表示：dcdRTc式中Γ－吸附量（mol/L）；c－吸附质在溶液内部的浓度(mol/L)；σ－表面张力（N/m）；R－通用气体常数（N.m/K.mol）；T－绝对温度（K）。若dσ/dc＜0,溶质为正吸附；若dσ/dc＞0，溶质为负吸附。通过实验若能测出表面张力与溶质浓度的关系，则可作出σ－c曲线，并在此曲线上任取若干个点作曲线的切线，这些曲线的斜率即为浓度对应的dσ/dc，将此值代入2－1式可求出在此浓度时的溶质吸附量。测定液体表面张力的方法有许多种。本实验采用最大压差法压力计漏斗毛细管图2-1测定时，将分液漏的活塞打开，使瓶内压力增加，气泡即可通过毛细管（要求它的尖嘴刚刚与液面接触）。从浸入液面的毛细管端鼓出空气炮时，需要高出外部大气压的附加压力，以克服气泡表面张力。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。此时附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式如下：RP2式中：ΔP－广口瓶内滴水形成的附加压力；R－气泡的曲率半径；σ－表面张力（N/m）当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这是曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这是曲率半径与毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡溢出。如果用图2-1装置，分别测出一种已知表面张力的液体（例如水）和另一未知表面张力液体（如正丁醇水溶液）的附加压力最大值，这时因为R=r，所以rP112式中：Δp1－已知表面张力液体的最大附加压力；σ1－已知液体的表面张力。rP222式中：Δp2－未知表面张力液体的最大附加压力；σ2－未知液体的表面张力。因为两种液体的最大附加压力（即最大压差）是在同一仪器的同一毛细管测的。所以，上两式的r是相同的，若将r消去即得：1122pp因此，在同一温度下，只要测得ΔP1、ΔP2，再由温度查出已知表面张力液体（水）的表面张力；即可求出未知液体的表面张力。三.仪器与药品1.仪器最大压差法测表面张力装置一套，洗瓶，吸耳球。2.药品正丁醇（分析纯），蒸馏水。四．实验步骤1.用洗液洗表面张力测定仪的外套管和毛细管。方法是在外套管中放入少量洗液,倾斜转动外套管,使洗液与外套管接触(注意不要让洗液从侧管流出)。再将毛细管插入,这时保持外套管倾斜不动,转动毛细管,使洗液与毛细管接触,再用洗耳球吸洗液至毛细管内,洗毛细管内壁。用完的洗液倒回原来瓶中,然后用自来水充分冲洗外套管和毛细管,最后用蒸馏水冲洗外套管和毛细管各三次,即可进行下面实验。2.在外套管中放入蒸馏水(作为已知表面张力的液体,其表面张力见附录二),将毛细管插入外套管,塞紧塞子,并使毛细管尖端刚碰到液面。3.关闭滴液漏斗下活塞，在滴液漏斗中加入自来水。将表面张力测定装置管线流程接上。4.打开精密数字压力计电源，然后打开漏斗上活塞，将管线内压力放空。安精密数字压力计的采零键，使精密数字压力计的示数至零。5.打开分液漏斗的活塞，使分液漏斗中的水慢慢滴入广口瓶中，这时瓶内压力逐渐增加，气泡将通过毛细管端。从精密数字压力计读出最大压差值，重复读取最大压差值三次，将数据记录在实验记录纸上，取平均值。6.测完蒸馏水的最大压差后，倒掉蒸馏水，用0.02mon/L的正丁醇洗一次外套管和毛细管，然后再加入该溶液，按照测蒸馏水的最大压差的方法，测定该溶液的最大压差。依次侧得0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mom/L的正丁醇溶液的最大压差。（注意：每更换一次溶液，都应用待定液洗外管套管和毛细管）。7.记录实验温度。五．数据处理与计算1.t=21℃σ=72.59mN/m2.H2O0.020.050.100.150.200.250.300.35P10.3440.3150.2870.2540.2360.2210.2180.2000.198P20.3460.3130.2870.2530.2320.2210.2170.2020.200P30.3410.3140.2920.2540.2340.2210.2170.2030.200P0.3440.3140.2890.2540.2340.2210.2170.2020.19972.5966.2660.9853.6049.3846.6345.7942.6341.99以0.02mol/L的正丁醇溶液为例计算：1122pp=0.314*72.59/0.344=66.26N/m3.4.c0.020.050.100.150.200.300.35Г4.2737.02811.63713.63714.31916.09917.183六.思考题1.实验中，如果毛细管深入液面1mm会造成多大误差？会使最大附加压力增大很多，从而使表面张力增大很多。2.实验中，为什么要尽量放慢鼓泡速度？为了让气泡逐渐形成，使曲率半径逐渐变小最后达到与毛细管半径相等，曲率半径达最小。鼓泡过快气泡来不及形成，达不到曲率半径最小，会造成实验测量误差,实验压力计也来不及读数。3.实验中，为什么要求从稀到浓逐个测定不同浓度溶液的表面张力？减少由于残留正丁醇对于浓度的影响而造成的实验误差，使实验更加的精确。4.解释σ-c曲线的变化趋势。开始时，曲线变化速率很快，随浓度增加，变化速率逐渐变慢。当溶液极稀时，表面上表面活性剂分子彼此不影响，所以可平铺于液面。因此，表面活性剂对表面张力有显著影响。表面活性剂分子在表面浓度增加，所以他们不能像极稀溶液情况下平铺，因此对表面张力的影响就减小，表现为表面张力随浓度增加而下降减小。当浓度增至某一数值，表面活性剂在溶液表面吸附达到饱和，并紧密排列，活性分子开始向溶液内部分布，变化趋势表现为十分平缓。5.实验中，影响表面张力测定准确性的因素有哪些？影响准确性的因素主要有仪器的气密性，毛细管与液面的接触距离，气泡是否缓慢的鼓出。七.小结通过本实验，我了解了用最大压差法测定表面张力的原理与方法，基本掌握了表面张力的概念及影响因素。加深了对吉布斯公式的理解和应用，实验还要求要有一定的耐心和精心操作，否则有可能导致实验结果不准确。